液壓系統(tǒng)回路速度剛性理論與實(shí)驗(yàn)研究

包海濤

(淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇淮安 233003)

節(jié)流調(diào)速是機(jī)械設(shè)備液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度要求高的設(shè)備，調(diào)速回路性能往往起著決定作用。由于其回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能平穩(wěn)地傳遞較大的動(dòng)力，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速控制，成本低，使用維護(hù)方便等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制的機(jī)械中。而節(jié)流調(diào)速的速度剛性是反映執(zhí)行元件運(yùn)行速度隨負(fù)載變化的重要指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)特性的好壞直接影響終端執(zhí)行件的工作精度 (包括位置精度、運(yùn)動(dòng)精度等)以及工作的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)剛性。傳統(tǒng)模擬方法需要工作人員對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)物理數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行數(shù)值模擬［1－2］。這種模擬方法對(duì)工作人員的水平要求較高，模型的構(gòu)建耗費(fèi)人力和時(shí)間，而且調(diào)節(jié)參數(shù)不方便，并且在不同的文獻(xiàn)中對(duì)該系統(tǒng)在速度調(diào)節(jié)過(guò)程中的特性分析不盡相同。

AMESim是法國(guó)IMAGINE公司開(kāi)發(fā)的一套圖形化工程系統(tǒng)仿真軟件，為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)提供建模仿真解決方案［3－4］。用戶可以在AMESim平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。其求解器采用算法自適應(yīng)積分器并對(duì)不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行直動(dòng)判斷和處理，能夠根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在17種可選算法中自動(dòng)選擇最佳積分算法，并具有精確的不連續(xù)性處理能力，保證了仿真的速度和精度。該軟件目前是應(yīng)用最廣泛的液壓系統(tǒng)仿真軟件之一。作者以進(jìn)口節(jié)流調(diào)速液壓基本回路為例，利用該軟件建立相對(duì)應(yīng)的模型，對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬，分析其速度剛度，為實(shí)際應(yīng)用該回路提供了有力的理論基礎(chǔ)，既有理論意義又有實(shí)踐指導(dǎo)作用。

1 基本理論

AMESim所含液壓系統(tǒng)的模型庫(kù)中集成了大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的仿真子模型，最大程度地避免了仿真者自行設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型［5］。同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)中的特定元件模型，可根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)，使用液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)里面的最小模型單元搭建完成。在開(kāi)關(guān)型閥控缸系統(tǒng)中，泵出的油經(jīng)節(jié)流閥、換向閥進(jìn)入工作缸，通過(guò)節(jié)流閥與溢流閥控制液壓缸的速度，換向閥控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向，如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)型閥控缸系統(tǒng)

液壓缸兩腔流量的連續(xù)性方程和活塞運(yùn)動(dòng)方程為［6－8］:

式中:q1、q2分別為缸無(wú)、有桿腔的進(jìn)流量;

A1、A2分別為缸無(wú)、有桿腔的有效面積;

p1、p2分別為缸無(wú)、有桿腔的進(jìn)油壓力;

v為活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度;

m為運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量;

B為黏性阻尼系數(shù);

F為負(fù)載;

C1、C2分別為無(wú)、有桿腔及其管路的液容;其中C1=V1/K，C2=V2/K，V1，V2為缸無(wú)桿腔、有桿腔容積，K為液壓油的彈性模量。

對(duì)式 (1)分別進(jìn)行變換，得

由式 (2)、(3)可得:

式中W1(s)=P1(s)/Q1(s)，為進(jìn)油管路傳遞函數(shù);W2(s)=P2(s)/Q2(s)，為出油管路傳遞函數(shù)。

由圖2液壓系統(tǒng)負(fù)載－速度的方塊圖可看出，當(dāng)負(fù)載F變化時(shí)，速度v也將變化，而速度v變化又引起液壓力 (p1A1－p2A2)變化，這樣構(gòu)成了液壓系統(tǒng)內(nèi)部反饋。此外，黏性阻尼系數(shù)B，進(jìn)、出油管路的元件和管路等也對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。

根據(jù)圖2可推到出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)、Φ(s):

如果僅考慮節(jié)流閥，忽略管道和換向閥等影響，則有

圖2 開(kāi)關(guān)型閥控缸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方塊圖

式中:Cd為節(jié)流閥流量系數(shù)。

回油管路傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)的無(wú)阻尼自然頻率ωn和阻尼比ζ為

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析可知:該系統(tǒng)是一個(gè)二階系統(tǒng)，在正常情況下是穩(wěn)定的。但當(dāng)?shù)退龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，若出現(xiàn)了負(fù)值負(fù)載時(shí)，則系統(tǒng)可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。其次增大A1減小C1、V1可以提高液壓系統(tǒng)無(wú)阻尼自然頻率。

系統(tǒng)的負(fù)載F與輸出位移x之比，稱為系統(tǒng)的位置剛性，用KL表示。系統(tǒng)負(fù)載F與輸出速度v之比，稱為速度剛性，用Kv表示。則

2 液壓系統(tǒng)仿真及其分析

在AMESim環(huán)境中利用Sketch模式并調(diào)用系統(tǒng)所提供的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)和信號(hào)庫(kù)建立如圖3所示的系統(tǒng)模型。

圖3 AMESim系統(tǒng)仿真原理圖

為了驗(yàn)證模型的可靠性，在QCS003B教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該液壓系統(tǒng)由兩個(gè)回路組成:即調(diào)速回路和加載回路，采用液壓缸對(duì)頂加載的方法，其原理圖如圖4所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的兩液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸一樣，無(wú)桿腔的有效面積恒為A1，有桿腔的有效面積恒為A2，兩缸之間的有效行程為L(zhǎng)。A1=12.56×10－4m2，A2=5.495 ×10－4m2，L=0.225 m。ρ=870 kg/m3，μ=0.026 Pa·s，t=16℃具體設(shè)備介紹和實(shí)驗(yàn)步驟在相關(guān)論文中已有介紹，這里不再敘述。模擬時(shí)節(jié)流閥的開(kāi)口面積分別設(shè)定為α1=5 mm2，α2=10 mm2，α3=15 mm2，與圖5的曲線1、2、3分別相對(duì)應(yīng)。

圖4 QCS003B實(shí)驗(yàn)設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖

圖5 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的v－F仿真特性曲線

圖5為仿真得出的速度 －負(fù)載 (v－F)特性曲線，從圖中可以看出:速度隨負(fù)載變化的規(guī)律，曲線越陡，表明負(fù)載變化對(duì)速度的影響越大，即速度剛性越小。當(dāng)節(jié)流閥流通面積一定時(shí)，重載區(qū)比輕載區(qū)的速度剛性小即負(fù)載越小速度剛性越大，曲線越平穩(wěn);當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，節(jié)流閥流通面積越小 (即執(zhí)行元件速度越低)，速度剛性越大;適當(dāng)增大液壓缸有效面積和提高液壓缸供油壓力，也可適當(dāng)提高剛性;在相同負(fù)載下工作時(shí)，節(jié)流閥流通面積大的比小的速度剛性小，即速度高時(shí)速度剛性差。

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法定量得出節(jié)流閥的開(kāi)口面積的大小，實(shí)驗(yàn)時(shí)僅能從定性的角度控制節(jié)流閥開(kāi)口面積的大、中、小3種不同的開(kāi)口度類型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的調(diào)速回路曲線如圖6所示，流量閥曲線分別表示節(jié)流閥在三種不同通流面積時(shí)的速度－負(fù)載特性曲線，與圖5比較可得出，v－F仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的發(fā)展趨勢(shì)是一致的，實(shí)際測(cè)試曲線與理論曲線基本吻合，由此說(shuō)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是可行的。

圖6 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的v－F實(shí)驗(yàn)特性曲線

3 結(jié)論

運(yùn)用AMESim軟件的建模與仿真得到了節(jié)流調(diào)速回路的動(dòng)態(tài)特性，比較仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出:

(1)所建仿真模型得出的節(jié)流調(diào)速回路的速度－負(fù)載動(dòng)特性與理論基本吻合;

(2)節(jié)流閥通流截面不變時(shí)，執(zhí)行元件負(fù)載越小，速度剛性越大;

(3)執(zhí)行元件負(fù)載不變時(shí)，通流截面越小，速度剛性越大。

［1］周堃敏，胡少剛.節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)建模與動(dòng)態(tài)特性研究［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(1):36 －39.

［2］姚黎明，王俊峰，賀銘.液壓進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(12):107 －109.

［3］彭偉春.小型多功能液壓挖掘機(jī)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2004.

［4］葉鵬飛.小型液壓挖掘機(jī)節(jié)流控制系統(tǒng)建模與仿真研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2009.

［5］郭曉松，祁帥，于傳強(qiáng)，等.工程機(jī)械的節(jié)流調(diào)速液壓回路仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(6):206 －208.

［6］劉澤群.LG953輪式裝載機(jī)行車制動(dòng)系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

［7］崔昊，王育才，呂建國(guó).基于MATLAB/SIMULINK的閥控液壓缸動(dòng)態(tài)特性仿真與優(yōu)化［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2007(8):67－69.

［8］田波.基于可重構(gòu)的輪輞壓窩沖孔機(jī)的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.